专利名称：机床的一致性刚性构造布置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机床，所述机床具有力闭环设计、固定的分叉式Y轴柱和机械 刚性的一致性得到优化的Z滑动件设计。
背景技术：
轧板机是一种用于对长度和宽度较大但高度相对较小的大且平的工件进行加工 的机床。由于工件较大，因此轧板机本身尺寸也相对较大，且对于大型机械而言，其在 操作过程中抵抗变形的刚性和能力都是设计时需要考虑的重要因素。在使用Z轴滑枕(ζ axis ram)的机床中，保持滑枕的重心尽可能接近滑枕的悬挂点是很重要的，这样可以将 在机械操作过程中出现的加速力效应降至最低限度。在高性能机械中，使机械的刚性在 该机械的整个工作包络范围内保持尽可能恒定也是很重要的。这使得将要使用的工艺参 数在该包络范围内可达到最优，而无需根据工作区域中的工件位置来改变工艺参数。在 高速机加工过程中，设置了稳定性突齿，其中基于切齿的经过频率和系统的刚性，可在 没有颤振的情况下实现更大的金属移除速率。这些稳定性突齿存在于相当窄的范围中且 工作包络范围内的系统硬度变化可能会导致产生这样的参数，所述参数使得在一个区域 中可进行无颤振切削从而导致在另一区域中出现颤振。
图1是根据本发明的机床的透视图；图2是图1所示机床的X轴元件、Y轴元件和Z轴元件的简化视图；图3是沿图1所示线3-3截取的机床的剖视图；图4是沿图1所示线4-4截取的机床的侧剖视图；图5和图6是图解图，图中示出了用于Z轴滑枕的常规悬挂系统和所产生的载荷 路径；图7和图8是图解图，图中示出了图5和图6所示的Z轴滑枕的C轴下垂度 (droop)；图9和图10是图解图，图中示出了用于Z轴滑动件的悬挂系统和所产生的载荷 路径，所述滑动件具有安装在前部的鞍座；图11和图12是图解图，图中示出了用于Z轴滑动件的悬挂系统和所产生的载荷 路径，所述滑动件具有安装在前部的鞍座；图13和图14是图解图，图中示出了图11和图12所示的Z轴滑动件的C轴下垂度。
发明内容
机床的机架被构造以便形成力闭环设计，所述设计围绕着包含主轴头的工作区 域。所述环路的前部包括固定的Y轴分叉柱且所述环路的后部包括固定X轴机架。所述环路的顶部和底部是由结构性管道形成的，所述结构性管道将所述Y轴柱与所述X轴 机架系在一起。支承着工件的托盘接收器被安装以便在X轴引轨上移动。可垂直移动的 鞍座被安装在所述Y轴柱上的Z轴行程中心附近并承载着Z轴滑动件。所述鞍座被支承 在所述Y轴柱上且所述Z轴滑动件被支承在所述鞍座上，这样就使得作业工具的载荷路 径在其整个行程内都保持了相对恒定，并提高了所述机械的刚性。所述X轴、Y轴和Z轴驱动马达都被安装在工作区域外部。X轴驱动件被安装 在固定壁部上，所述固定壁部被附接到X轴机架构件上。所述Y轴驱动件被安装在固定 Y轴柱上而位于所述Y轴柱的与所述工作区域相对的侧部上。所述Z轴驱动件被安装在 鞍座上而位于所述Y轴柱的与所述工作区域相对的侧部上。所述X轴驱动件和所述Y轴 驱动件在所述机械的固定部分上的定位提高了机械的刚性，且使得无需设置柔性缆线为 这些驱动器供电和控制这些驱动器。
具体实施例方式图1示出了总体上由附图标记10表示的机床。该机床被标准防护装置12围绕， 且操作员站14被定位在防护装置外侧。机床接收来自托盘操纵器17的带有工件的托盘 15，所述托盘操纵器可被定位在与防护装置中的托盘进入开口 18相邻的位置处。在操作 过程中，托盘15从托盘操纵器17被传递至托盘接收器19，所述托盘接收器是该机械的一 部分。托盘接收器19随后被驱动而到达位于主轴和作业工具前方的该机械的工作区域。图2示出了机床的X轴元件、Y轴元件和Z轴元件。带有工件16的托盘15被 定位在主轴或多轴头23前方，所述主轴或多轴头承载着作业工具24且这形成了工作区 域。Y轴柱25是固定且分叉的。如图2且同时如图3所示，Y轴柱25承载着可垂直移 动的鞍座26，所述鞍座被安装在介于分叉柱25的两侧之间的中心开口 21中且被安装在垂 直线性导引件或轨道27上，如图3最佳示出地。尽管并未单独示出，但用于指示该鞍座 的垂直位置的反馈传感器也被定位在与轨道27相邻的位置处。在Y轴柱25的每侧上都 安装了伺服马达28，且每个伺服马达28都被联接至驱动螺钉29。驱动螺钉29与位于鞍 座26的相对侧上的驱动螺母31接合，且伺服马达28被用于将鞍座提升和降低至所需垂 直位置。可垂直移动的鞍座26承载着Z轴滑动件32。被安装在Z轴滑动件32上的轴承 在轴承轨道34上支承着该滑动件，所述轴承轨道被安装在鞍座上。Z轴驱动组件36包括 伺服马达37和驱动螺钉38，所述伺服马达和驱动螺钉被安装在鞍座26上。Z轴驱动组 件36可被选择性地控制以便沿Z轴将Z轴滑动件32和作业工具24定位在所需位置处。 正如本文所使用地那样，术语Z轴滑动件被用来表示这样的结构，其中轴承被安装在滑 动件32上且轴承轨道34被安装在鞍座26上。这是为了与Z轴滑枕的结构区别开来，在 所述Z轴滑枕结构中，轴承被安装在鞍座上且轨道被安装在滑枕上。X轴机架构件40和44支承着X轴壁部42，且多条X轴轨道41被安装在X轴 壁部42上。托盘接收器19被安装在X轴轨道41上以便沿X轴进行水平移动。图中以 虚线示出的一个或多个X轴驱动马达43被安装在X轴壁部42上以便驱动托盘接收器沿 X轴轨道来回移动。X轴机架构件40分别通过上部管状机架构件46和下部管状机架构 件47被联接至Y轴柱25，以便形成刚性力闭环设计。
图3是沿图1的线3-3截取的机床的剖视图，图中更为详细地示出了机械10的 特定元件。导引鞍座26进行垂直移动的两条Y轴轨道27被定位在分叉柱25上而位于 中心开口 21的任一侧上。两个Y轴柔性缆线导引件51被设置以便将电力缆线和液压缆 线以及类似装置从Y轴柱25的固定部分承载至活动鞍座26。一个或多个Z轴柔性缆线 导引件52被设置以便将电力缆线和液压缆线从鞍座26承载之Z轴滑动件32。图3示出 了 X轴导轨41，所述导轨从机械的一侧延伸至另一侧以便支承托盘接收器19且以便将托 盘15定位在作业工具24前方。在该视图中，托盘15和接收器19在Y轴柱25前方并居 中。图4是沿图1的线4-4截取的机床的侧剖视图。如图4所示，使鞍座26移动并 支承该鞍座的驱动螺钉29被定位在沿Z轴测得的鞍座的大约中点的位置处。在考虑到主 轴头23的质量和外伸量的情况下，驱动螺钉29相对于鞍座26的这种定位使得鞍座26和 Z轴滑动件32的组合件的重心30可被保持在相对接近驱动螺钉29的位置处。在高度加 速和减速的机械上，加速力成为比切削力更重要的关注因素。这些力可被认为作用在移 动质量体的重心处。从重心至驱动系统的距离越大，则为系统增加的力矩载荷且因此在 加速过程中导致产生的偏斜就越大。从重心至轨道系统的距离越大，则施加在轴承上的 力矩就越大，这同样导致产生的偏斜越大。反馈传感器至驱动系统的距离越大，则在线 性反馈中看到的阿贝误差(角度误差)就越大，这种误差将使伺服系统的电子硬度降低。 Z轴滑动件32装配有轴承转向架或轴承支架33，所述轴承转向架或轴承支架在轨道34上 行进，所述轨道被安装在鞍座上。图4示出了两条Z轴缆线导引件52以便将电力缆线和液压缆线从鞍座26承载至 Z轴滑动件32。图4还示出了 X轴壁部42，所述X轴壁部沿工作区域的后方延伸且被 X轴机架构件40和44支承。多个X轴导轨41被安装在壁部42上。托盘接收器19被 安装在X轴导轨41上以便沿X轴进行水平移动。X轴驱动马达43 (图中仅示出了一个) 被用于驱动托盘接收器19沿X轴导轨41前后移动。Z轴滑动件32承载着主轴22、头部23和工具24，且被活动地安装在鞍座26上 以便沿Z轴方向行进。由于Z轴滑动件32相对细弱(其长度远大于其宽度和高度)且工 作元件或工具24从轴承转向架或轴承支架33在位于轨道34上的Z轴滑动件上的支承点 突出出来，因此将Z轴轨道34置于鞍座26上且将轴承转向架或支架置于Z轴滑动件32 上导致该外伸量恒定的Z轴滑动件的下垂度和硬度比常规的滑枕设计更为恒定，在常规 的滑枕设计中，导引轨道被安装在滑枕上且轴承转向架或轴承支架被安装在鞍座上的固 定位置处。图5-图14示出了这些原理且下文将对此进行更为详细地描述。图5和图6示出了常规滑枕56中的载荷路径55的变化，此时用于滑枕56的轴 承57被安装在鞍座58上且轨道59被安装在滑枕上。图5示出了沿Z轴方向完全伸出的 滑枕56。从鞍座58在Y轴轨道62上的悬挂点的中点61至滑枕56的末端63测得的载 荷路径55的长度在名义上被取为1.0。图6示出了完全缩回的滑枕56。从鞍座58在Y 轴轨道62上的悬挂点的中点61至滑枕56的末端63测得的载荷路径55的长度为0.5，为 图5所示构型的载荷路径长度的一半。图7和图8示出了当载荷路径变化时C轴(滑枕56的纵轴)的角度或下垂度是 如何产生变化的。在图7中，滑枕56完全伸出，C轴的角度α是存在的。在图8中，滑枕56完全缩回，角度α为零。因此，当使用具有这种设计的滑枕时，Z轴滑枕硬度 和C轴角度随着Z轴滑枕56相对于鞍座58的位置而产生变化。当轴承引轨随着Z轴元件移动且轨道被安装在支承结构上时，Z轴元件被称作滑 动件。图9和图10示出了滑动件66中的载荷路径65产生的变化，此时轴承67被安装 在滑动件66上，轨道68被安装在鞍座69上，且鞍座69从一端悬挂下来。图9示出了 沿Z轴方向完全伸出的滑动件66。从鞍座69在Y轴轨道62上的悬挂点的中点61至滑 动件66的末端71测得的载荷路径65的长度在名义上被取为1.0。尽管图中并未示出，但 在中间行程处的滑动件66的载荷路径长度为1.25。图10示出了完全缩回的滑动件66。 从鞍座在Y轴轨道62上的悬挂点的中点61至滑动件的末端71测得的载荷路径65的长度 为1.5，与图9所示构型的载荷路径65的长度相比变化了 50%。图11和图12示出了另一种悬挂布置中的Z轴滑动件66的载荷路径的变化，在 这种布置中，用于将鞍座73安装到Y轴轨道62上的轴承72被定位在鞍座73的中心处 而不是定位在一端处。图U示出了沿Z轴方向完全伸出的滑动件66。从鞍座在Y轴轨 道62上的悬挂点的中点61至滑动件的末端71测得的载荷路径75的长度在名义上被取为 1.1。尽管图中并未示出，但在中间行程处的滑动件的载荷路径长度为0.9。图12示出了 完全缩回的滑动件66。从鞍座在Y轴轨道上的悬挂点的中点61至滑枕的末端71测得的 载荷路径75的长度为1.1，与图11所示的载荷路径长度相同。图13和图14示出了对于图11和图12所示悬挂布置而言，当载荷路径变化时， C轴的角度是如何产生变化的。对比图13和图14表明当滑动件在鞍座73上从完全伸 出位置移至完全缩回位置时，滑动件66的外伸量保持了恒定，且因而使得对于处在两个 位置处的滑动件66而言，角度、和Ci2大体上相同。对比图5、图9和图11所示实例中的载荷路径长度的变化可以看出对于图 11-图14所示悬挂布置而言，其载荷路径的变化最小。所属领域技术人员应该意识到 将载荷路径长度的变化降至最低限度使得作业工具的C轴角度的变化被降至最低限度， 因此提高了工具刚性的一致性，且改善了该工具在其操作范围内所能够保持的机械准确度。由于图13和图14所示Z滑动件设计具有固定的外伸量，因此用于Y轴伺服系 统的驱动件、轴承和外部线性反馈装置在Z轴滑动件66的整个行程范围内可被定位在鞍 座73和Z轴滑动件结构的重心77后方且接近该重心的位置处。这使得Y轴移动质量体 的重心保持在尽可能接近Y轴驱动螺钉29和Y轴轨道34的位置处，从而将由于沿Y轴 方向的加速力导致在鞍座结构中产生的扭转力矩降至最低限度。Z轴滑动件66所具有的 固定外伸量还将如图11和图12所示的整个Z轴行程范围内载荷路径75的长度变化降至 最低限度。载荷路径长度变化与硬度变化大略成比例关系。用于鞍座的Y轴支承元件的 该位置还使得优选构型中的Y轴柱结构25可被置于Y轴驱动部件28、29和31、Y轴轨 道49以及反馈系统前方。这进一步使得可在进行维护时，从工作区域的外侧移除整个鞍 座、Y轴驱动件、Y轴轨道和线性反馈装置，这大大改善了系统的可维护性。此外，这 些元件在Y轴柱的与工作区域相对的侧部上的位置还降低了这些传感系统被来自工作区 域的碎片和切削流体污染的可能性。上面对本发明进行了描述，多种变化和变型对于所属领域技术人员而言是显而易见的，这些变型和变化被认为处在由所附权利要求书限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于机床的刚性设计，所述机床具有垂直的X轴、Y轴和Z轴，所述机床设 计包括固定的X轴机架构件；由所述X轴机架构件支承的垂直的固定X轴壁部，所述X轴壁部用于支承其上的工 件以使所述工件沿X轴方向移动；不可移动的固定的分叉式Y轴柱，所述Y轴柱具有中心开口 ；被安装在所述Y轴柱的所述中心开口中的鞍座；主轴，所述主轴被安装在所述鞍座上以便沿所述主轴的纵向方向且与所述X轴壁部 的纵向面垂直地进行Z轴运动；和刚性结构化构件，所述构件将所述X轴机架构件的顶部和底部分别连接至所述固定 Y轴柱的顶部和底部，由此所述X轴机架构件、所述Y轴柱和所述刚性结构化构件形成 了力闭环设计。
2.根据权利要求1所述的机床设计，进一步包括被安装在所述鞍座上的Z轴滑动件；在所述鞍座上支承所述Z轴滑动件的滑动件轴承；和用于接收所述滑动件轴承的轴承轨道，其中所述滑动件轴承被安装在所述滑动件上 且所述轴承轨道被安装在所述鞍座上。
3.根据权利要求2所述的机床设计，进一步包括用于将所述鞍座安装到所述Y轴柱上的鞍座轴承，其中所述鞍座轴承位于沿Z轴方 向测得的所述鞍座的大约中间的位置处，由此所述Z轴滑动件的载荷路径在所述滑动件 的整个行程范围内保持相对恒定。
4.根据权利要求2所述的机床设计，进一步包括用于使所述鞍座沿Y轴移动的驱动元件，由此所述驱动元件位于沿Z轴方向测得的 所述鞍座的大约中间的位置处。
5.根据权利要求4所述的机床设计，进一步包括被联接至所述主轴的作业工具，所述作业工具建立起工作区域；和Y轴驱动螺钉和被联接至所述Y轴驱动螺钉的Y轴马达，所述Y轴马达包括用于使 所述鞍座沿Y轴移动的所述驱动元件，所述驱动元件位于所述柱的与所述工作区域相对 的侧部上。
6.根据权利要求5所述的机床设计，进一步包括位于所述鞍座的任一侧上的驱动螺母，其中所述驱动螺钉被联接至所述驱动螺母且 所述驱动螺钉位于所述Y轴柱的所述中心开口的任一侧上。
7.根据权利要求6所述的机床设计，进一步包括用于将所述鞍座安装到所述Y轴柱上 的鞍座轴承，由此所述鞍座轴承位于沿Z轴方向测得的所述鞍座的大约中间的位置处。
8.根据权利要求6所述的机床，其中所述滑动件和所述鞍座的质心位于与所述驱动螺 钉大约成一直线的位置处，由此将由于Y轴方向的加速力而导致在所述鞍座中产生的扭 转力矩保持在最低限度。
9.根据权利要求1所述的机床设计，进一步包括用于将所述鞍座安装到所述Y轴柱上 的鞍座轴承，由此所述鞍座轴承位于沿Z轴方向测得的所述鞍座的大约中间的位置处。
10.根据权利要求2所述的机床，其中从所述滑动件的末端至所述滑动件轴承测得的 所述滑动件的外伸量并不随着所述滑动件在所述鞍座上从完全伸出位置移至完全缩回位 置而产生变化。
全文摘要
机床的机架形成了力闭环设计，所述设计围绕着包含主轴头的工作区域。X轴驱动马达和Y轴驱动马达被安装在所述机械的固定元件上。Y轴柱是固定的，且支承着Z轴滑枕。所述Z轴滑枕的安装和定位将下垂度的变化和加速力对Z轴结构产生的效应降至最低限度。所述X轴、Y轴和Z轴驱动马达都被安装在所述工作区域外侧以使它们不至于受到在机加工过程中产生的污染物和碎屑的影响且便于进行维护。
文档编号B23Q1/26GK102015200SQ200980114010
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月15日 优先权日2008年4月22日
发明者P·L·米希勒 申请人:辛辛那提机器有限责任公司